5G技術在海上風電場智慧運維中的應用現狀及展望

王海　張志偉　趙燚　王楊　吳勁芳

摘要：通過5G技術，可為海上風力發電工業控制、檢修維護、運行監控等不同屬性業務提供隔離獨享的網絡切片，保障不同業務的差異化需求與通信質量，確保風力發電更加高效安全可靠地運行。同時對提升海上風電場的管理效率和管理水平，實現運維經驗數字化有重要意義。本文主要對5G技術在海上風電場智慧運維中的應用進行了簡單的探討，以供相關人員參考。

關鍵詞：5G技術;海上風電場;智慧運維

1、5G技術特點及其在海上風電應用現狀

國際標準化組織3GPP的R15標準定義5G三大應用場景：增強移動寬帶場景（eMBB）低時延高可靠場景（uRLLC）和大連接低功耗場景（mMTC）。各項功能在電力行業的應用需求具體如下：

1）超高可靠超低時延需求：典型代表場景包括智能分布式配電自動化、毫秒級精準負荷控制、主動配電網差動保護等工業控制類下行業務，對應的切片類型為URLLC超高可靠性超低時延切片。

2）海量物聯終端接入需求：典型代表場景包括低壓用電信息采集、智能汽車充電站/樁、分布式電源接入等信息采集類上行業務。對應的切片類型為mMTC海量機器通信接入切片。

3）高清視頻回傳需求：典型代表場景包括輸變電線路狀態監控、無人機遠程巡檢、變電站機器人巡檢、AR遠程監護等需要高清視頻回傳的業務場景，對應的切片類型為eMBB增強帶寬切片。

4）高清語音通信需求：典型代表場景包括調度電話、管理電話、遠程巡檢、應急通信等需要高安全、高可靠、高接通率和高清通。

據調查研究，國內多個海上風電項目已有移動通信網絡成功應用的案例。如江蘇如東海上風電場和大豐海上風電場均建設了4G移動通信網絡。但5G移動通信網絡還沒有在海上風電項目成功應用的案例。

2、5G技術在海上風電場智慧運維中的應用

本文依托規劃建設的5G+4G混合專網，按無人風場巡檢、離岸現場維護2個維度對海上風電場的智慧運維應用進行探討。

2.1、無人風場巡檢

海上風電場由于環境特殊，運維人員無法長期駐守，需借助視頻和傳感器實現日常的遠程運行監控;海上風電場的風機分布較為離散不易達到、且水下情況難以監測，也需要無人機和無人艇來輔助巡檢;加之風機內部構造復雜，一些區域人工到達不易甚至難以到達，這時可以通過特種作業機器人代替人工完成相關作業任務。

（1）風電機組及升壓站智慧監控。風電機組及升壓站智慧監控是基于4K視頻監控設備、傳感器數據采集等手段實現的，是最基礎的海上風場智慧運維手段，主要滿足風電場遠程巡檢場景下“能看”“可感”的直接需求。具體實現上，4K攝像頭可部署在風電機組及升壓站等區域，通過導軌移動，實現對部署區域的全面監控，視頻數據通過5G網絡實時回傳;同時數據采集主機收集回傳風機的相關運行數據。

（2）風場無人機巡檢。風場巡檢無人機系統是一套軟硬件結合的全自動飛行系統，利用該系統用戶可以在海上風電場的升壓站部署自動機庫和無人機，連接風電場專網即可遠程控制無人機全自動起降、自動更換電池、連續執行任務，實現全自動化和真正“無人化”。風場無人機巡檢流程主要包括3個步驟：一是無人機任務路徑規劃，二是無人機巡檢任務執行，三是巡檢任務報表生成。

（3）風場水下無人艇監測。位于海洋環境中的海上風電場，其水下環境的監測是運維工作的重要內容。傳統的水下環境監測一般只包括海底線纜排查，而且需要依靠人工探摸，風險高、周期長。搭載高精度實時三維聲吶和淺地層剖面儀等儀器的無人艇能夠避開人工巡檢的弊端，自動對風電機組周邊水下區域進行探測，檢測風電機組樁基沖刷情況、風電機組周邊水下地形地貌、風電海底電纜沖刷與掩埋狀況、海上升壓站基礎沖刷情況等，根據調查結果評估樁基與線纜安全性和可靠性，為海上風場后續的檢測作業和維護性施工提供依據，為海上風電日常運維提供可靠支撐。

作業時，無人艇可從碼頭出航或隨母船（運維船）作業，可通過公網、5G專網、衛通或借助升壓站與陸地部分通信鏈路實現實時數據傳輸，工作人員在岸端或母船上即能實現海上風電檢測運維工作。

2.2、離岸現場維護

（1）運維船舶安全輔助駕駛系統。運維人員需搭乘運維船舶前往海上風電場進行作業。海上航行環境復雜，運維船舶駕駛員對船舶自身狀態、周圍航行環境、碰撞風險預警等有天然需求，引入船舶安全輔助駕駛系統可以使駕駛員更好地感知船舶自身狀態，了解周圍航行態勢，消除駕駛員的感知不足，補充駕駛員的判斷不足，避免因視野盲區或者能見度較低出現船舶碰撞風機基礎的情況。一套船舶安全駕駛輔助系統一般包括監控測距模塊、遠距離監控聲光模塊、紅外在線測溫模塊和控制系統，監控測距模塊設置在船舶的船身四周，遠距離監控聲光模塊設置在船舶的船頂位置，紅外在線測溫模塊設置在船舶的船艙內部，監控測距模塊、遠距離監控聲光模塊和紅外在線測溫模塊均與控制系統連接。

（2）北斗海上人員落水安全救援系統。為進一步保障運維傳輸人員安全，可通過部署北斗海上人員落水安全救援系統，確保人員落水后能得到及時救援。系統可實時獲取船舶位置和落水人員位置，船上人員一旦落水，北斗個人救生示位標立即自動開始向監控中心上報人員位置，保證及時救援。本系統使用快速穩定的5G網絡和寬帶衛星通信鏈路，保證數據互聯互通的及時性和可靠性。

結束語

當前，伴隨著5G、人工智能、機器人等技術的逐漸成熟，部分產品已經在海上風電場的日常運維工作中得到應用，使海上風電場日常運維工作實現“少人化”甚至在部分工作中已經能夠達到“無人化”。但是要全面實現真正的“無人化”還需要相關領域技術的不斷發展，并針對海上風電場的場景進行優化，比如，5G專網組建能否更便捷，能否搭建一個綜合位置服務平臺對這些智慧運維裝置進行統一管理以及各類作業機器人能否再進行針對性的定制等，這些都是后續工作中需要考慮的。筆者相信隨著相關技術的不斷迭代升級，在不遠的將來，一定能夠實現海上風電場運維“無人化”。

參考文獻：

[1]楊源，汪少勇，譚江平，陳亮.海上風電場智慧運維管理系統[J].南方能源建設，2021，8（01）：74-79.

[2]尹瑞.新型海上風電場拓撲及其關鍵技術研究[D].浙江大學，2017.